ZnO取代部分Al2O3的無堿玻璃性能研究

洪秀成，邢文忠，章 林，許明初，曹建強(qiáng)，柴云峰

（巨石集團(tuán)有限公司，桐鄉(xiāng) 314500）

0 前言

CaO-Al2O3-SiO2三元體系是無堿玻璃纖維的成分基礎(chǔ)，Al2O3在該體系中主要作為網(wǎng)絡(luò)形成體存在，對玻璃的熔制性能、拉絲性能和產(chǎn)品性能有著重要影響。玻纖生產(chǎn)中Al2O3主要由葉蠟石和高嶺土等礦物原料引入，而這些原料也同時會引入玻璃纖維主要著色劑——鐵和鈦的氧化物［1-3］。著色氧化物的引入，勢必引起玻璃顏色的變化，最終影響整個玻璃形成過程的效率和質(zhì)量。

ZnO在陶瓷和玻璃工業(yè)中，是制作釉料和微晶玻璃的一種重要原料。由于Zn2+的有效離子半徑小，有很強(qiáng)的場強(qiáng)，這使得ZnO可明顯提高釉料及微晶玻璃的機(jī)械強(qiáng)度，并且可以改善它們的耐水性、耐蒸汽性和耐酸性等［4-6］。Zachariasen和Warren［7-10］的玻璃理論和晶體場理論都認(rèn)為，與Al2O3一樣，ZnO在玻璃結(jié)構(gòu)中充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中間體，一般以［ZnO6］八面體作為網(wǎng)絡(luò)外體存在，提高玻璃的耐堿性，也能以［ZnO4］結(jié)構(gòu)成為玻璃網(wǎng)絡(luò)形成體。因此，在CaO-Al2O3-SiO2無堿玻璃體系中，以ZnO取代Al2O3有很大的研究意義和應(yīng)用價值。但到目前為止，在CaO-Al2O3-SiO2體系中以ZnO取代部分Al2O3的研究鮮有報道。本文以0-0.7 wt%ZnO取代同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al2O3，研究CaOAl2O3-SiO2體系無堿玻璃的熱學(xué)和光學(xué)性能變化。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

高嶺土、葉蠟石、石英粉、石灰石、生石灰、滑石、石膏等礦物原料；

ZnO采用分析純（AR）的化工原料，國藥滬試。

1.2 儀器設(shè)備

同步熱分析儀：STA449PC，德國耐馳儀器制造有限公司；

高溫粘度計：RheotronicⅡ，美國THETA公司；

梯度爐：GTF-MD-16，美國Orton公司；

分光光度計：X-Rite 8200，美國愛色麗；

光學(xué)透過率儀：LS108H，深圳市林上科技有限公司；

硅鉬棒電爐：1700℃，上海才興高溫元件電爐廠。

2 實驗過程

2.1 配方設(shè)計及樣品制備

本實驗以本公司E6玻璃配方為基礎(chǔ)配方，通過引入0～0.7% ZnO取代同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al2O3設(shè)計試驗配方見表1。

表1 試驗配方設(shè)計表

各配合料通過充分混合均勻后置于坩堝中，于硅鉬棒電爐中熔融，玻璃經(jīng)成型冷卻后備用。

2.2 實驗方法及表征手段

各原料按照配方設(shè)計表稱量，經(jīng)混合均勻后，放在高溫爐中熔制2h，在模具中成型冷卻得到試驗所需玻璃樣品。

借用同步熱分析儀分析樣品的加熱過程特征溫度點。樣品研磨成100～200 m，從室溫加熱到1500℃，升溫速率為10℃min-1。樣品的粘度及析晶分別采用高溫粘度計和梯度爐來測試。

玻璃的顏色采用分光光度計測試，透光率借用光學(xué)透過率測量儀測試。

3 結(jié)果與分析

3.1 熱學(xué)性能分析

圖1所示為引入ZnO前后各玻璃樣品的DSC曲線圖。從圖中可以看出，在本研究的ZnO引入量范圍內(nèi)，引入ZnO取代部分Al2O3對玻璃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度沒有很大影響，維持在864℃左右。而玻璃的熔融溫度在不同ZnO取代量下有所不同，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3～0.7%的取代量下，隨著取代量的增加，玻璃的熔融溫度隨之降低，這說明，ZnO作為玻璃網(wǎng)絡(luò)外體存在，對玻璃的結(jié)構(gòu)有所影響，在不影響玻璃纖維的力學(xué)性能的情況下，應(yīng)控制ZnO的引入量。

圖1 各樣品DSC曲線對比圖

表2為添加ZnO前后玻璃樣品的高溫粘度和析晶上限溫度對比情況。從結(jié)果來看，在本實驗的替代范圍內(nèi)，ZnO的加入對玻璃的高溫粘度的影響比析晶上限溫度大。添加ZnO后，玻璃高溫粘度降低，這是由于ZnO次外層有18個電子，易于使之變形，與CaO有類似的性質(zhì)。而由于本實驗ZnO的替換量較少，對玻璃的析晶上限溫度的影響很小。

表2 不同樣品玻璃高溫粘度和析晶溫度對比表 ℃

3.2 光學(xué)性能分析

表3所示為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ZnO取代Al2O3后，玻璃樣品的顏色對比表。從表3中可看出隨著ZnO取代部分Al2O3，各樣品在玻璃顏色中的綠值和黃值上，數(shù)值都有所降低，尤以Z2樣品為佳，分別為-2.65和3.46，在基礎(chǔ)配方玻璃的指標(biāo)上降低了23%和21%。

表3 不同樣品玻璃顏色測試結(jié)果對比表

圖2所示為以ZnO取代部分Al2O3前后各樣品的透光率曲線變化趨勢圖。圖中所示各點為玻璃樣品自然光透過率百分?jǐn)?shù)，以ZnO取代Al2O3后，玻璃的透光率提高，在取代量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%達(dá)到最高，為63.6%。這是由于以ZnO取代Al2O3，可以減少配合料中含著色離子的氧化物的原料的引入量，特別是降低了玻璃中鐵的氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，也降低配合料的還原性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，減少氧氣的消耗量，減輕廢氣的排放。

圖2 以ZnO取代Al2O3前后各樣品透光率變化趨勢圖

4 結(jié)論

本文通過對ZnO替代部分Al2O3的無堿玻璃配方玻璃樣品的熱學(xué)和光學(xué)性能進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

（1）ZnO的引入會降低玻璃的熔融溫度和高溫粘度，其在該體系中充當(dāng)玻璃網(wǎng)絡(luò)外體，為保證部分性能，應(yīng)控制ZnO的引入量。

（2）以ZnO替換Al2O3，可適當(dāng)降低原料中著色氧化物的引入量，利于玻璃的顏色變淡。

（3）引入0.4%的ZnO樣品在玻璃顏色的綠值和黃值指標(biāo)最佳，分別為-2.65和3.46，在基礎(chǔ)配方玻璃的指標(biāo)上降低了23%和21%。